KR102228370B1 - 태양광발전 접속함의 아크 감지 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양광발전 접속함 내부에서 발생하는 미세한 아크를 효율적으로 검출할 수 있는 태양광발전 접속함의 아크 감지 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 전류감지수단을 통해 태양전지판으로부터 태양광발전 접속함으로 연결되는 스트링 별로 발전전류량과 아크전류를 센싱하는 채널별 센싱단계; 온도감지센서를 통해 태양광발전 접속함 내부의 배선용차단기(MCCB)와 연결된 (+)부스바와 (-)부스바의 온도를 센싱하는 부스바 센싱단계; 및 광감지수단을 통해 상기 배선용차단기에서 발생되는 빛을 센싱하는 광 센싱단계; 및 상기 각 단계의 센싱값을 통해 아크 발생 여부를 판단하는 아크발생 판단단계;를 포함하는 태양광발전 접속함의 아크 감지 방법 및 시스템에 관한 것이다.

Description

태양광발전 접속함의 아크 감지 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR DETECTING ARC OF PHOTOVOLTAIC COMBINER BOX}

본 발명은 태양광발전 접속함의 아크 감지 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 특히, 태양광발전 접속함 내부에서 발생하는 미세한 아크를 효율적으로 검출할 수 있는 태양광발전 접속함의 아크 감지 방법 및 시스템에 관한 것이다.

태양광발전은 빛을 전기로 바꾸어 주는 태양전지(solar cell)를 기반으로 동작하며, 태양전지는 빛의 세기에 따라서 발전되는 전류가 변하는 전류원(current source) 전지이다. 전류원 전지의 경우 일반적인 교류 전원(전압원 전지)과는 달리 비록 단락사고가 발생한다고 하여도 큰 전류가 흐르지 않아 보호용으로 추가되는 퓨즈를 차단시키지 못한다. 구체적으로 태양광발전 시스템에도 보호용 퓨즈와 차단기가 들어가지만, 이는 태양광발전 시스템 자체의 단락사고에 대한 보호용이 아니라 낙뢰 등으로 인한 외부에서 유입되는 큰 전류를 차단시키기 위한 용도이므로 태양광발전 시스템 자체의 문제로 인한 단락사고나 접속불량에 의한 아크 발생 등으로 야기되는 화재 위험은 상시 존재한다.

그리고 중요한 점은 태양광발전은 햇빛만 있다면 상시 발전이 되면서 전기가 계속 유입되므로 한번 문제가 발생하면 시스템이 완전히 망가지기 전까지는 화재가 진압되지 않는 극단적인 상황이 유지된다는 점이다. 또한, 태양전지판에서 발전되는 전기는 크기가 '+, 0, -'로 변동되는 교류가 아니라, 일정한 크기로 계속 유지되는 직류라는 점이다. 이는 전기 사고 발생시 더욱 심각한 문제를 만들게 된다. 즉, 교류는 주기적으로 전기가 '0'이 되는 시점이 존재하여 스스로 차단되는 능력을 가질 수 있으나, 직류는 지속적으로 전기가 공급되므로 스스로 차단시킬 수 있는 능력이 없어 아주 작은 문제라도 시간이 지나면 바로 대형 사고로 이어질 수 있다. 이와 같은 이유들로 인하여 태양광발전 시스템의 보급 증가와 함께 화재 사고도 매년 증가되고 있으며, 사회적 이슈가 되고 있다.

한편, 태양광발전 시스템에서의 화재 방지 및 예방을 위한 다양한 방법들이 제시되고 있으나, 아직까지는 화재가 발생한 경우를 연기나 열기로 감지하여 조치하는 방법이 대다수 이므로, 화재 방지 보다는 확산 방지에 초점이 맞추어져 있다. 하지만, 이미 화재로 진행되어 버린 경우 전술한 바와 같이 태양전지판은 햇빛이 있는 한 지속적으로 발전하므로 태양전지판에서 들어오는 전선을 차단하지 않은 이상 지속적으로 단락이 유지되어 소화액을 뿌리거나 인버터로 나가는 차단기(MCCB)를 차단시키더라도 접속반 내의 전기사고는 유지된다. 따라서, 연기 감지나 열감지 만으로 화재를 예방하기에는 한계가 있으며, 아직까지 완벽한 해결 방법이라고는 할 수 없다.

이에 최근에는 화재로 이어지기 이전 단계인 접속불량에 의한 아크나 열 발생을 감지하여 화재 이전에 전류 흐름을 차단함으로써, 아크 발생이나 열 발생을 멈추는 방법들이 제시되고 있다.

그 중 한 가지가 큰 전류가 흐르는 접속이 이루어지는 부분에 개별적으로 온도센서를 부가하여 상시 온도를 감지하다가 온도 차이를 발생하는 곳이 생기면, 접속불량에 의한 열 발생으로 보고 더 이상의 전류 흐름이 발생하지 않도록 부하측 차단기(MCCB)를 차단하여 접속불량에 의한 열 발생을 막는 방법도 제시되어 있다. 그러나, 이 방법의 단점은 모든 접속 부위에 대해 개별적 온도감지를 해야하므로 회로가 복잡해져 제작비가 크게 상승하고, 또한 전자회로기판(PCB)이 들어가므로 전자회로기판 자체가 또 다른 화재 요인이 될 수 있다는 문제점을 안고 있다.

(0001) 국내공개특허 제10-2017-0028119호 (0002) 국내등록특허 제10-1787528호

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 미세한 아크를 효율적으로 검출하여 화재 사고를 미연에 방지할 수 있는 태양광발전 접속함의 아크 감지 방법 및 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 상기와 같은 특징을 가지면서도 종래대비 제작비용을 절감시킬 수 있는 태양광발전 접속함의 아크 감지 방법 및 시스템을 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명인 태양광발전 접속함의 아크 감지 방법은,

전류감지수단을 통해 태양전지판으로부터 태양광발전 접속함으로 연결되는 스트링 별로 발전전류량과 아크전류를 센싱하는 채널별 센싱단계; 및 상기 전류감지수단과 연결된 처리부에서 상기 스트링 별 발전전류량과 아크전류의 비율값을 계산하고, 상기 비율값이 상대적으로 차이가 나는 스트링이 발생할 경우 아크가 발생한 것으로 판단하는 아크발생 판단단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 채널별 센싱단계는, 상기 스트링 별로 발전전류의 크기를 센싱하는 발전전류 센싱단계; 상기 스트링 별로 제1저대역 통과필터를 통해 아크전류 'A'를 검출하는 제1아크전류 센싱단계; 및 상기 스트링 별로 상기 제1저대역과는 다른 대역을 갖는 제2저대역 통과필터를 통해 아크전류 'B'를 검출하는 제2아크전류 센싱단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 아크발생 판단단계는, 상기 스트링 별로 상기 아크전류 'A'의 절대값과 상기 발전전류의 비율 및 상기 아크전류 'B'의 절대값과 상기 발전전류의 비율을 구하여 크기를 비교하는 아크전류 비교단계; 및 상기 처리부에서 상기 아크전류 비교단계를 통해 비율값 크기가 다른 스트링에 비해 상대적으로 특정값 이상 차이가 나는 스트링을 검출하는 아크전류 검출단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 온도감지센서를 통해 태양광발전 접속함 내부의 배선용차단기(MCCB)와 연결된 (+)부스바와 (-)부스바의 온도를 센싱하는 부스바 센싱단계;를 더 포함하며, 상기 아크발생 판단단계에서는, 상기 (+)부스바와 상기 (-)부스바의 온도차가 설정된 범위를 벗어나면 아크가 발생된 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

또한, 광감지수단을 통해 퓨즈 연결부, 상기 부스바 및 상기 배선용차단기에서 발생되는 섬광을 센싱하는 광 센싱단계;를 더 포함하며, 상기 아크발생 판단단계에서는, 상기 광감지수단을 통해 감지된 섬광의 출력 전압이 설정값 이상이면 아크가 발생된 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

또한, 태양광발전이 정지되는 야간에 수행되며, 상기 처리부에서 상기 각각의 센서들의 출력값을 파악하여 비정상 출력값을 갖는 센서에 대해 초기값을 자동 교정하는 센서 교정단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명인 태양광발전 접속함의 아크 감지 시스템은, 태양전지판으로부터 태양광발전 접속함으로 연결되는 스트링 각각의 발전전류량과 아크전류를 감지하는 전류감지수단; 및 상기 전류감지수단과 연결된 처리부에서 상기 스트링 별 발전전류량과 아크전류의 비율값을 계산하고, 상기 비율값이 상대적으로 차이가 나는 스트링이 발생할 경우 아크가 발생한 것으로 판단하는 처리부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 전류감지수단은, 태양광발전 접속함으로 연결되는 각각의 상기 스트링에 설치되어 발전전류의 크기를 센싱하는 발전전류감지수단; 각각의 상기 스트링에 설치되며, 제1저대역 통과필터와 연결되어 아크전류 'A'를 검출하는 제1아크전류감지수단; 및 각각의 상기 스트링에 설치되며, 상기 제1저대역과는 다른 대역을 갖는 제2저대역 통과필터와 연결되어 아크전류 'B'를 검출하는 제2아크전류감지수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 처리부는, 상기 스트링 별로 상기 아크전류 'A'의 절대값과 상기 발전전류의 비율 및 상기 아크전류 'B'의 절대값과 상기 발전전류의 비율을 구하여 크기를 비교하고, 비율값 크기가 다른 스트링에 비해 상대적으로 특정값 이상 차이가 나면 아크가 발생한 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

또한, 태양광발전 접속함 내부의 배선용차단기(MCCB)와 연결된 (+)부스바와 (-)부스바의 온도를 감지하는 온도감지수단;을 더 포함하며, 상기 처리부는, 상기 (+)부스바와 상기 (-)부스바의 온도차가 설정된 범위를 벗어나면 아크가 발생된 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

또한, 퓨즈 연결부, 상기 부스바 및 상기 배선용차단기에서 섬광이 발생되는지 여부를 감지하는 광감지수단;을 더 포함하며, 상기 처리부는, 상기 광감지수단을 통해 감지된 섬광의 출력 전압이 설정값 이상이면 아크가 발생된 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 처리부는, 태양광발전이 정지되는 야간에 상기 각각의 센서들의 출력값을 파악하여 비정상 출력값을 갖는 센서에 대해 초기값을 자동 교정하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 상술한 본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.

먼저, 태양광발전 접속함으로 연결되는 스트링 마다 발전전류량과 아크전류값을 측정하고, 아크 검출 방식을 절대치 비교가 아닌 상대치 비교를 통해 수행하므로 종래 방식에 비해 아크 검출 오동작을 최소화시킬 수 있다.

또한, 전류 직접 검출 방식을 사용하므로 낮은 주파수 영역에서도 검출이 가능하며, 이에 따라 범용 디지털신호처리장치(DSP)를 통해서도 스펙트럼 분석이 가능하여 제작비를 절감시킬 수 있다.

또한, 스트링 별 발전전류에 비례하는 검출 알고리즘을 통해 인버터 기동 등의 과도 상태에서 발생하는 주파수 노이즈를 제거할 수 있다.

또한, 부스바의 (+)측과 (-)측의 온도(상대온도) 비교를 통해 접속불량을 판단함으로써, 아크 발생을 미리 예측하고 화재 사고 등을 사전에 방지할 수 있다.

또한, 광감지수단을 통해 부스바나 접속부 뿐만 아니라 퓨즈부나 배선용차단기에서 발생되는 아크 불빛을 감지하여 아크 발생 여부를 판단하므로 직접 온도 검출이 불가능한 부위에서도 보다 신뢰성 있는 아크 감지 방법과 시스템을 제공할 수 있다.

또한, 햇빛이 없는 한밤중에는 태양광발전이 중단되므로, 모든 센서의 검출값이 '0'이 되는 특징을 이용하여 최소한 하루에 한 번 센서 자체의 검출값을 확인하고, 이를 바탕으로 노이즈나 옵셋을 제거할 수 있으므로 저렴한 센서를 사용하면서도 계측 및 감지에 대한 신뢰성을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명인 태양광발전 접속함의 아크 감지 시스템의 일 실시례에 따른 구성도,
도 2는 본 발명인 태양광발전 접속함의 아크 감지 방법의 일 실시례에 따른 구성도.

각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시례를 설명함에 있어, 관련된 공지구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시례에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시례의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

본 발명을 설명하기에 앞서, 태양광발전 접속함 내부의 접속부에서 접속불량이 발생하면 초기에는 접촉저항이 증가하여 접속부에서 열이 발생하지만, 시간이 지나면서 작은 아크(arc)가 발생하고, 시간이 더 지나면 큰 아크가 발생하여 화재로 이어지게 된다. 따라서, 작은 아크를 검출할 수 있다면 화재로 이어지기 전에 전류 흐름을 차단하여 화재를 예방할 수 있다. 하지만 작은 크기의 아크를 찾아내는 것에 대한 신뢰성 확보가 쉬운 일이 아니며, 또 감시 대상이 되는 접속부가 여러 곳에 넓게 퍼져 있으므로 모든 접속부에 아크 감지센서를 부착하는 것은 온도센서를 부착하는 것 보다 더 어렵고 제작비용이 상승하므로 실용성이 떨어진다.

이를 위해 통상적으로는 빛을 모을 수 있는 광파이버를 접속부 주위를 지나가도록 설치하여 하나의 센서로서 전체 접속부의 아크 발생을 감지하는 방법도 제시되고 있다. 하지만 이 방법도 여러 가지 문제점을 가지고 있다. 즉, 광파이버의 설치 각도나 위치에 따라서 검출 감도 차이가 크며, 광파이버가 모든 방향에서 오는 빛을 모아서 보낼 수가 없다는 점이다. 그리고 감지 방법이 상대적인 크기가 아니고 절대적인 크기가 되므로 신뢰성 보장이 되지 않을 수 있다. 따라서 이 방법 역시 방법론으로는 가능하지만, 현실성에서는 실용성이 매우 떨어지는 방법이다.

전기 계통에서 접속불량이나 절연파괴로 아크가 발생하며 궁극적으로 대형 전기사고로 이어지게 되기 때문에 여러 연구가 진행되어 왔다. 따라서 눈에 보이지 않은 내부에서의 아크를 찾기 위한 방법으로 아크 발생시 발생되는 전자기파를 검출하여 아크 발생 유무를 판별하는 방법도 다양하게 제시되어 있다. 검출 원리는 아크가 만들어 내는 독특한 주파수 스펙트럼을 찾아서 아크 유무를 판별한다. 사용하는 주파수 성분에 따라서 직접 검출 방식과 간접 검출 방식이 있으며, 직접 검출 방식은 선로에 흐르는 전류 파형 중 아크 성분을 찾아내는 것이고, 간접 검출 방법은 일종의 안테나 역할을 하는 전자파 감지(TEV: transient earth voltage) 센서를 부착하여 주파수 분석을 하여 아크를 찾아내는 방법이 있다. 전자는 주로 낮은 주파수 대역을 이용하나 부하나 주변 잡음과 혼합되어 판별에 어려움이 있고, 후자는 아주 높은 주파수 대역을 사용하고 모든 주파수 성분을 분석해야 하므로 고가의 장치와 훈련된 진문가가 필요하다. 따라서 아직까지는 범용은 아니고 계측 수준에서만 사용되고 있는 실정이다.

이에 본 발명에 따른 태양광발전 접속함의 아크 감지 방법의 핵심은 미세한 아크를 정확히 검출하는데 있다. 즉, 모든 접속부에서 접속불량이 발생하면 처음 단계는 국부적인 열이 발생하고, 시간이 지나면 열변형에 의한 접속저항 증가로 미세한 아크가 발생하며, 점차적으로 큰 아크를 만들며, 큰 아크는 고열을 수반하므로 화재로 이어지게 된다. 따라서, 미세한 아크를 검출할 수만 있다면 화재를 예방할 수 있다.

또 한 가지 중요한 고려사항은 접속불량이 발생되는 곳인데, 태양광발전 시스템에서는 주로 탈부착이 가능하도록 되어 있는 퓨즈 연결부(퓨즈홀더: 온도센서를 개별적으로 부착하는 방법에서도 외부에 설치되는 퓨즈홀더 내의 접속불량은 감지가 불가능함)가 가장 취약하다. 퓨즈홀더는 퓨즈를 내장하지만 일종의 간이 수동 차단기의 역할도 하며, 안전 및 관리상의 목적으로 의무적으로 모든 스트링에 개별적으로 들어가는 중요 부품이다. 그리고 이를 통해서 들어온 발전 전기를 모아서 큰 전류를 만들어 배선용차단기(MCCB)를 거쳐서 인버터로 보내져 상용 교류전원으로 변환 발전된다.

이러한 에너지의 흐름에서 볼 때 접속불량이 발생할 가능성이 가장 큰 부분, 즉 태양광발전 시스템에서 가장 취약한 부분이 퓨즈 연결부이다. 다시 말하면, 배선용차단기나 인버터 연결부에서의 접속불량은 상대적으로 거의 발생하지 않으며, 비록 문제가 생겨도 인화 성분이 거의 없어 대형 사고로 번지지는 않는다. 결과적으로 태양전지판에서 발전된 전기를 모아서 연결하는 개별 스트링 단위에서 미세한 접속불량이 발생되고 이것이 지속되어 화재로 번지게 된다.

본 발명은 스트링 단위로 아크를 검출할 수 있는 센서를 부착하고, 이를 주변 스트링과 상대 비교하여 아크를 검출하는 방법과 시스템에 관한 것이다. 또한, 전류 직접 검출 방식을 사용하므로 낮은 주파수 영역에서 검출이 가능하여 범용 디지털신호처리기(DSP)를 통해 스펙트럼 분석을 할 수 있다. 또한, 검출 오동작을 최소화시키기 위해서 절대 크기를 사용하지 않고 상대 크기를 사용하는 알고리즘을 적용한다. 또한, 인버터 기동 등의 과도 상태에서 발생하는 주파수 노이즈를 제거하기 위하여 스트링별 발전 전류에 비례하는 검출 알고리즘을 제시한다. 또한, 만약에 발생할지 모르는 부스바 등에서의 접속 불량을 검출하기 위하여 직접 온도를 검출할 수 있는 센서를 +/- 부스바 위에 장착시키고, 두 부스바 사이의 온도차를 이용하여 접속불량을 감지한다. 또한, 아크로 나타나는 빛을 감지할 수 있는 센서 모듈을 전면부(덮개부)에 부가하여, 이들 상호간의 함수 관계를 이용하여 태양광발전 시스템의 접속반에서 발생될 수 있는 화재를 예방 및 방지할 수 있도록 한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명인 태양광발전 접속함의 아크 감지 시스템의 일 실시례에 따른 구성도이다.

도 1을 참조하여 본 발명인 태양광발전 접속함의 아크 감지 시스템을 설명하면 다음과 같다.

본 발명인 태양광발전 접속함의 아크 감지 시스템은, 전류감지수단(10)과 처리부(40)를 포함하여 구성되며, 선택적으로 온도감지수단(20)과 광감지수단(30)을 더 구비할 수 있다.

전류감지수단(10)은 태양전지판으로부터 태양광발전 접속함으로 연결되는 스트링 각각에 설치되며, 각 스트링에 대한 발전전류량과 아크전류를 센싱한다. 전류감지수단(10)은 발전전류감지수단(11), 제1아크전류감지수단(12) 및 제2아크전류감지수단(13)을 포함하여 구성된다.

발전전류감지수단(11)은 큰 전류가 흐르는 전선의 접속부를 최대한 줄이기 위하여 별도의 결선이 필요없는 홀센서가 내장된 관통형 직류 전류센서를 사용한다. 발전전류감지수단(11)을 통해 발전전류를 측정하고, 처리부(40)는 발전전류감지수단(11)에서 측정된 측정값을 통해 각 스트링을 감시한다.

제1, 2아크전류감지수단(12, 13)은 채널(스트링) 단위에서 접속불량에 의해서 발생되는 아크성분 전류를 감지하기 위한 것으로 높은 주파수 성분 전류를 검출할 수 있는 고주파 검출센서로 특수 코어를 사용하는 관통형 전류센서이다. 검출 대상이 되는 주파수 영역은 100khz 이하의 성분을 검출한다.

전류감지수단(10)과 연결된 처리부(40)에서 스트링 별 발전전류량과 아크전류의 비율값을 계산하고, 상기 비율값이 상대적으로 차이가 나는 스트링이 발생할 경우 상대적 차이가 발생한 스트링에 아크가 발생한 것으로 판단한다.

일례로, 4개의 스트링(채널) 한 그룹을 감시할 경우, 본 발명에 따른 전류감지수단(10)과 처리부(40)에 의하면 다음과 같이 수행된다.

CH1 : 발전전류감지수단(11) => 발전전류 측정 및 처리부에서 측정값을 감시

CH1 : 제1, 2아크전류감지수단(12, 13) => 대역 통과필터 A(10K~25Khz) => 'A' 절대 크기 검출 => 대역 통과필터 B(25k~50khz) => 'B'절대 크기 검출

CH2 : 발전전류감지수단(11) => 발전전류 측정 및 처리부에서 측정값을 감시

CH2 : 제1, 2아크전류감지수단(12, 13) => 대역 통과필터 A(10K~25Khz) => 'A' 절대 크기 검출 => 대역 통과필터 B(25k~50khz) => 'B' 절대 크기 검출

CH3 : 발전전류감지수단(11) => 발전전류 측정 및 처리부에서 측정값을 감시

CH3 : 제1, 2아크전류감지수단(12, 13) => 대역 통과필터 A(10K~25Khz) => 'A' 절대 크기 검출 => 대역 통과필터 B(25k~50khz) => 'B' 절대 크기 검출

CH4 : 발전전류감지수단(11) => 발전전류 측정 및 처리부에서 측정값을 감시

CH4 : 제1, 2아크전류감지수단(12, 13) => 대역 통과필터 A(10K~25Khz) => 'A' 절대 크기 검출 => 대역 통과필터 B(25k~50khz) => 'B' 절대 크기 검출

아크 전류는 일종의 코로나 방전이므로 Mhz대의 높은 주파수 성분을 가지나 태양광발전과 같은 직류전원에서는 주전류가 Khz대의 성분도 갖는다. 다만 문제가 되는 것은 인버터가 동작하면 이 역시 낮은 주파수 성분의 신호가 많이 만들어진다는 것이다. 따라서, 전자파 감지(TEV) 센서를 이용하여 인버터나 일반적인 부하가 만들어내는 주파수 성분을 초월하는 100Mhz대의 주파수 성분을 분석하며 비교적 절대적인 수치로 아크 발생 유무를 판단할 수 있으며, 전용 검사 장비도 개발되어 있는 상태이다. 하지만 Mhz대 이상의 신호를 다루는 것은 장비 자체가 너무 고가이며, 장비의 조작 및 운영에도 별도의 숙련된 전문가가 필요하다.

따라서, 본 발명에서는 범용 디지털신호처리기(DSP)로서 처리 가능한 주파수 대역 신호처리를 위해서 낮은 주파수 분석을 통한 아크 전류를 감지하고자 하는 것이다. 이때, 문제가 되는 것은 아크 센서에서 검출되는 신호가 아크 성분 뿐만 아니라 인버터나 부하에서 발생되는 주파수 성분과 중첩된다는 것이다. 하지만, 논문(주파수 분석을 이용한 태양광 설비의 아크 검출 기법 : The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers Vol. 66P, No. 3, pp. 144 ~ 149, 2017) 등의 자료에 의하면, 인버터에서 발생되는 고주파 잡음을 최소화하는 적절한 주파수 대역, (본 발명의 경우 25Khz와 50Khz 대역이나, 구체적인 수치는 인버터 종류에 따라서 달라질 수 있음)을 선정하고, 선정된 대역의 에너지를 구한다.

한편, 접속불량에 의한 아크 발생은 전 스트링에서 동시에 발생하지 않는다. 즉, 인버터나 부하측에서 유입되는 주파수 성분은 모든 스트링에 동일하게 나타나지만, 스트링 단위에서 발생하는 아크 전류는 발생된 스트링에서만 나타난다. 이것은 본 발명이 간접 측정방식이 아닌 스트링에 흐르는 전류를 직접 측정하는 방식을 사용한 이유이며, 저주파 신호 분석으로도 이상 유무를 상대적으로 판단할 수 있는 기준이 된다.

처리부(40)는 전술한 바와 같이, 채널별 발전전류의 흐름을 확인하고, 특정치 이상의 발전전류가 흐르면 채널별 A/발전전류 및 B/발전전류 비를 구한다. 이후 상기와 같이 한 그룹(4개의 채널)의 채널별 A/발전전류 및 B/발전전류 비율 크기를 비교한다. 이때, 비율 크기가 평균 크기에서 특정값, 일례로 ±20% 이상 벗어나면 해당 채널에 미세한 아크가 발생한 것으로 판단하고, 아크 발생 경보를 울리도록 조치한다. 아크 발생 경보가 일정 시간 이상 지속되면 차단 출력을 발생시켜 배선용차단기(MCCB)를 차단시켜 발전 전류를 차단한다.

본 발명은 검출된 신호를 이용한 구체적인 아크 검출 방식에서 절대치 크기 비교가 아니 상대치 비교 검출 방식을 따른다. 먼저 접속부의 접속불량에 의한 아크는 직렬 아크이므로 부하가 있는 경우, 즉 인버터가 가동되어 발전전기가 흐르고 있을 때만 발생한다. 원칙적으로 아크는 부하를 통해서 흐르는 직렬 아크와 +/- 단자간에 직접 흐르는 병렬 아크로 구분할 수 있지만, 태양광발전 시스템에서는 거의 대다수가 직렬 아크이다. 특히, 접속부에서 발생하는 접속불량에 의한 아크는 모두 직렬 아크이다. 따라서, 부하 전류가 흐르지 않는다면 아크는 발생하지 않으며, 아크 전류를 직접 검출하는 방식에서는 아크가 발생한 스트링에서만 이상전류가 나타나므로, 이는 모든 스트링 전류에서 나타나는 인버터, 부하 등의 잡음에 의한 고주파 성분과는 다른 특성을 보인다.

또한, 태양광발전 시스템은 햇빛의 세기에 따라서 수시로 발전량이 변하기 때문에 단순히 고주파 성분의 크기만을 가지고 아크를 검출하기에는 신뢰성이 보장되지 않는다. 즉, 현재 발전량과 무관한 수치를 가지고 판단되어야 하며, 따라서 본 발명에서는 주파수 그룹으로 구분된 아크 및 고주파 잡음신호(스트링 별로 측정된 A, B 절대 크기)를 현재 각 스트링에 흐르고 있는 직류 발전 전류치로 나누어 발전량과 무관한 상대 크기를 얻는다. 그리고 이 크기들을 상대 비교하여 ±20% 이상 차이가 나는 스트링이 있다면 해당 채널(스트링)을 아크 발생으로 경보를 울리며, 그 차이가 일정시간 지속되면 인버터와 연결되는 MCCB를 차단하여 더 이상 발전 전류가 흐르지 않도록 만들어 화재 발생을 근본적으로 방지할 수 있다.

온도감지수단(20)은 태양광발전 접속함 내부의 배선용차단기(MCCB)와 연결된 (+)부스바와 (-)부스바의 온도를 감지한다. 처리부(40)는 상기 (+)부스바와 상기 (-)부스바의 온도차가 설정된 범위를 벗어나면 아크가 발생된 것으로 판단한다.

부스바는 구리판 막대로 여러 곳에서 오는 전기를 모으거나 분배하는 용도로 사용되는 일종의 터미널 역할을 한다. 태양광발전 시스템에서도 개별 태양전지판에서 발전된 전류를 모으기 위해서 접속반이라는 것이 사용되며, 접속반은 개별 스트링 별로 퓨즈와 역전류 방지용 다이오드를 거쳐서 MCCB와 결합된 부스바와 연결되며, 회로적으로는 모든 스트링 전류가 병렬 연결되어 하나로 모으는 역할을 한다. 즉, 부스바는 여러 전선이 볼트로 결합되므로 이 부위에서도 접속불량이 발생할 수 있다. 하지만, 인화 물질이 직접적으로 위치한 곳이 아니기 때문에 접속불량이 발생해도, 그 즉시 화재로 연결되지는 않을 수 있다. 부스바에서의 접속불량은 열전도가 높은 구리판에서 생기는 것이므로 어느 한 곳에서의 접속불량은 부스바 전체의 온도를 높이게 되며, 부스바에 온도센서를 부착하면 비교적 쉽게 검출이 가능하다. 하지만 이 온도 역시 주변 온도나 발전 전류량 등에 따라서 변동이 심하므로 절대 온도치 만으로는 접속불량 발생 유무를 판단할 수는 없다.

이에 대한 해결책 역시 상대 비교치를 사용하는 방법이다. 즉, 부스바는 동일 조건으로 (+)측과 (-)측으로 최소한 2개가 사용되므로 정상적인 조건에서는 발전량과 무관하게 (+)측과 (-)측에서 측정되는 온도는 비슷한 크기를 가지게 될 것이다. (+)측과 (-)측에서 동시에 접속불량이 발생하지 않는다면, 부스바의 (+)측과 (-)측 사이의 온도 차이는 문제가 있음을 의미하는 것이고, 온도가 높은 쪽이 접속불량이 발생했다고 볼 수 있다. 따라서, 절대적이 크기가 아닌 단순히 두 부스바 사이의 온도 검출 만으로도 신뢰성 있는 접속불량 유무를 검출할 수 있다.

처리부(40)는 온도감지수단(20)을 통해 부스바의 (+)측과 (-)측의 온도 정보를 파악한다. (+)측과 (-)측 부스바 사이 온도차가 발생, 일례로 2도 이내는 정상으로 파악하고, 온도차가 2 ~ 4도 사이에서 차이가 나면 미세한 아크가 발생한 것으로 판단하고 경보 출력을 발생시킨다. 이 역시 경보 출력이 일정 시간 이상 유지되면 배선용차단기(MCCB)를 차단시킨다. 또한, 온도차가 4도 이상 발생하면 보다 큰 아크가 발생한 것으로 판단하고, 그 즉시 MCCB를 차단시킨다. 온도 편차 값은 설치 현장에 따라서 조금씩 변동될 수도 있으므로, 이를 고려하여 온도차 범위를 설정하는 것이 바람직하다.

한편, 부스바의 온도 차이만으로도 부스바 접속부에서 발생된 접속불량을 검출할 수 있으나, 한 겨울 외기 온도가 낮을 경우는 열전도도가 높은 구리판이라고 해도 접속불량 위치와 온도센서 부착 부위 사이의 거리가 떨어지면 작은 아크 상태에서는 온도차가 크게 나지 않을 수 있다. 따라서, 보다 완벽한 아크 검출을 위해서는 아크 불빛을 감지하기 위한 광감지수단(30)도 추가적으로 필요하다.

광감지수단(30)은 퓨즈 연결부(퓨즈홀더), 상기 부스바 및 상기 배선용차단기(MCCB)에서 섬광이 발생되는지 여부를 감지한다. 처리부(40)는 광감지수단(30)을 통해 감지된 섬광(빛)의 출력 전압이 설정값 이상이면 아크가 발생된 것으로 판단한다.

앞의 광감지수단을 통한 아크 감지는 사람 눈으로도 확인 가능한 정도를 찾는 것으로, 주 기능은 모든 스트링(채널) 전류가 합쳐져 흐르는 MCCB 측의 접속불량을 찾는 것이다. 즉, 이 경우는 전체 스트링 단위에서 아크가 발생된 것이므로, 개별 스트링별 비를 이용하는 1단계 아크 검출 기능이 동작하지 않을 수 있으며 따라서 극단적인 상황에서도 불꽃이 감지되면 아크 발생으로 판단하기 위함이다.

본 발명은 선행 특허들과 같이 모든 곳에서 발생하는 아크를 광파이버 등을 사용하여 하나의 센서로 감지하는 것이 아니고, MCCB나 부스바 등의 눈에 보이는 곳에서 발생되는 아크를 직접 빛에 대하여 반응하는 광감지 다이오드(photodiode) 또는 광저항 효과소자(CDS) 등과 같은 광감지수단(30)을 사용하여 검출할 수 있다. 이는 MCCB와 부스바가 있는 위치의 뚜껑부에 전술한 광 감지센서와 신호 증폭기를 부착하여, 특정치 이상의 빛이 감지되면 경보 출력을 발생하는 구조이다.

구체적으로는, 광감지수단(photodiode 또는 CDS 등 사용)에서 빛이 감지되면, 감지된 빛의 세기를 전압으로 변환하여 출력한다. 처리부(40)는 이와 같이 변환된 출력전압값을 파악하여 출력전압값이 설정값(경보치) 이하이면 정상으로 판단하고, 출력전압값이 설정값(경보치) 이상이면 경보 출력을 발생시킨다. 이 역시 경보 출력이 일정 시간 이상 지속되면 MCCB를 차단하도록 구성할 수 있다.

또한, 처리부(40)는 태양광발전이 정지되는 야간에 전술한 각각의 센서들의 출력값을 파악하여 비정상 출력값을 갖는 센서에 대해 초기값으로 자동 교정할 수 있다.

태양광발전 시스템의 또 다른 특징은 모든 것이 없어지는 상태가 주기적으로 나타난다는 것이다. 다시 말하면, 밤중에는 햇빛이 없으므로 발전 자체가 정지되어 모든 센서의 검출값이 '0'이 된다는 것이다. 이는 최소한 24시간 이내에 한 번씩 장비 스스로가 계측 정밀도를 자가 판단할 수 있다는 것이고, 이를 바탕으로 노이즈나 옵셋을 제거할 수 있기 때문에 저렴한 센서를 사용하면서도 어느 정도 신뢰성 있는 계측 및 감지가 가능한 이점이 있다.

즉, 발전이 정지되고 충분한 시간이 흐른 한밤중에는 모든 센서의 출력값이 서로 동일해야 하며, 만약 동일하지 않다면 처리부(40)는 그 값을 기억하고 있다가 보정값으로 사용하는 방식이 가능하므로, 이를 이용할 경우 보다 정밀한 측정이 가능하다.

도 2는 본 발명인 태양광발전 접속함의 아크 감지 방법의 일 실시례에 따른 구성도이며, 이를 참조하여 본 발명인 태양광발전 접속함의 아크 감지 방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 설명에 앞서 태양광발전 접속함의 아크 감지 방법은 전술한 태양광발전 접속함의 아크 감지 시스템의 설명 내용을 참조할 수 있으므로 간략히 기재하며, 동일 또는 유사한 부분은 전술한 시스템의 설명을 참조하도록 한다.

본 발명인 태양광발전 접속함의 아크 감지 방법은, 채널별 센싱단계(S10) 및 아크발생 판단단계(S40)를 포함하며, 선택적으로 부스바 센싱단계(S20), 광 센신단계(S30) 및 센서 교정단계(S50)를 포함할 수 있다.

채널별 센싱단계(S10)는 전류감지수단(10)을 통해 태양전지판으로부터 태양광발전 접속함으로 연결되는 스트링 별로 발전전류량과 아크전류를 센싱하는 단계이다.

채널별 센싱단계(S10)는 발전전류 센싱단계(S11), 제1아크전류 센싱단계(S12) 및 제2아크전류 센싱단계(S13)를 포함할 수 있다.

발전전류 센싱단계(S11)는 발전전류감지수단(11)을 통해 스트링 별로 발전전류의 크기를 센싱하는 단계이다. 제1아크전류 센싱단계(S12)는 제1아크전류감지수단(12)을 이용하여 스트링 별로 제1저대역(A : 10 ~25㎑) 통과필터를 통해 아크전류 'A'를 검출하는 단계이다. 제2아크전류 센싱단계(S13)는 제2아크전류감지수단(13)을 이용하여 스트링 별로 상기 제1저대역과는 다른 대역을 갖는 제2저대역(B : 25 ~ 50㎑) 통과필터를 통해 아크전류 'B'를 검출하는 단계이다.

아크발생 판단단계(S40)는 전류감지수단(10)과 연결된 처리부(40)에서 스트링 별 발전전류량과 아크전류의 비율값을 계산하고, 상기 비율값이 상대적으로 차이가 나는 스트링이 발생할 경우 아크가 발생한 것으로 판단한다.

즉, 아크발생 판단단계(S40)는 아크전류 비교단계(S41) 및 아크전류 검출단계(S42)를 더 포함할 수 있다. 아크전류 비교단계(S41)는 스트링 별로 상기 아크전류 'A'의 절대값과 상기 발전전류의 비율 및 상기 아크전류 'B'의 절대값과 상기 발전전류의 비율을 구하여 크기를 비교하는 단계이다. 아크전류 검출단계(S42)는 처리부에서 아크전류 비교단계를 통해 비율값 크기가 다른 스트링에 비해 상대적으로 특정값, 일례로 ±20% 이상 차이가 나는 스트링을 검출하는 단계이다. ±20% 이상 차이가 나는 스트링이 있다면 해당 채널(스트링)을 아크 발생으로 경보를 울리며, 그 차이가 일정시간 지속되면 인버터와 연결되는 MCCB를 차단하여 더 이상 발전 전류가 흐르지 않도록 만든다.

부스바 센싱단계(S20)는 온도감지수단(20)을 통해 태양광발전 접속함 내부의 배선용차단기(MCCB)와 연결된 (+)부스바와 (-)부스바의 온도를 센싱하는 단계이다. 이때, 아크발생 판단단계(S40)에서는, (+)부스바와 (-)부스바의 온도차가 설정된 범위를 벗어나면 아크가 발생된 것으로 판단하고, 전술한 바와 같이 조치한다.

광 센싱단계(S30)는 광감지수단(30)을 통해 퓨즈 연결부, 상기 부스바 및 상기 배선용차단기에서 발생되는 섬광을 센싱하는 단계이다. 이때, 아크발생 판단단계(S40)에서는, 광감지수단을 통해 감지된 섬광(빛)의 출력전압값이 설정값 이상이면 아크가 발생된 것으로 판단하고, 전술한 바와 같이 조치한다.

센서 교정단계(S50)는 태양광발전이 정지되는 야간에 수행되며, 처리부(40)에서 전술한 각각의 센서들의 출력값을 파악하여 비정상 출력값을 갖는 센서에 대해 초기값으로 자동 교정하는 단계이다.

모든 감지센서는 오차를 가질 수 있다. 즉, 시간이나 온도차 등으로 절대치가 변동될 가능성이 항상 있다. 따라서, 절대 크기를 비교하여 정상/비정상을 판단하는 방법은 검출 오류가 많이 생길 확률이 높다. 통상적으로 태양광발전 시스템에서 사용되는 접속반은 고가의 장치가 아니다. 이는 정밀 계측기를 사용하는 방식이 아니라는 것이고, 따라서 사용 환경이 열악한 경우에는 많은 오차를 가질 수 있다.

본 발명에 따르면 검출 방식을 절대치를 사용하지 않고 상호 비교를 통한 상대치를 사용함으로써, 열악한 환경에서도 신뢰성 있는 검출이 가능한 이점이 있다.

이상에서, 본 발명의 실시례를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시례에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 게시된 실시례들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시례에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 전류감지수단 11 : 발전전류감지수단
12 : 제1아크전류감지수단 13 : 제2아크전류감지수단
20 : 온도감지수단 30 : 광감지수단
40 : 처리부

Claims (12)

1. 태양전지판으로부터 태양광발전 접속함으로 연결되는 스트링 각각의 발전전류량과 아크전류를 감지하는 전류감지수단; 상기 전류감지수단과 연결된 처리부에서 상기 스트링 별 발전전류량과 아크전류의 비율값을 계산하고, 상기 비율값이 상대적으로 차이가 나는 스트링이 발생할 경우 아크가 발생한 것으로 판단하는 처리부; 태양광발전 접속함 내부의 배선용차단기(MCCB)와 연결된 (+)부스바와 (-)부스바의 온도를 감지하는 온도감지수단; 및 퓨즈연결부, 상기 부스바 및 상기 배선용차단기에서 섬광이 발생되는지 여부를 감지하는 광감지 다이오드(photodiode) 또는 광저항 효과소자(CDS)로 구성된 광감지수단;을 포함하며,
   상기 전류감지수단은,
   태양광발전 접속함으로 연결되는 각각의 상기 스트링에 설치되어 발전전류의 크기를 센싱하며, 홀센서가 내장된 관통형 직류 전류센서로 구성된 발전전류감지수단; 각각의 상기 스트링에 설치되며, 제1저대역 통과필터와 연결되어 아크전류 'A'를 검출하는 제1아크전류감지수단; 및 각각의 상기 스트링에 설치되며, 상기 제1저대역과는 다른 대역을 갖는 제2저대역 통과필터와 연결되어 아크전류 'B'를 검출하는 제2아크전류감지수단;을 포함하고, 상기 제1, 2아크전류감지수단은 100㎑ 이하의 주파수 성분 전류를 검출하는 관통형 직류센서로 구성되며,
   상기 처리부는,
   상기 스트링 별로 상기 아크전류 'A'의 절대값과 상기 발전전류의 비율 및 상기 아크전류 'B'의 절대값과 상기 발전전류의 비율을 구하여 크기를 비교하고, 비율값 크기가 다른 스트링에 비해 상대적으로 ±20% 이상 차이가 나면 아크가 발생한 것으로 판단하며, 상기 (+)부스바와 상기 (-)부스바의 온도차가 설정된 범위를 벗어나면 아크가 발생된 것으로 판단하여 아크 발생 경보를 울리도록 조치하고,
   상기 광감지수단을 통해 감지된 섬광의 출력 전압이 설정값 이상이면 아크가 발생된 것으로 판단하며, 태양광발전이 정지되는 야간에 상기 각각의 센서들의 출력값을 파악하여 비정상 출력값을 갖는 센서에 대해 초기값을 자동 교정하는 태양광발전 접속함의 아크 감지 시스템을 이용한 태양광발전 접속함의 아크 감지 방법에 관한 것으로,
   상기 전류감지수단을 통해 태양전지판으로부터 태양광발전 접속함으로 연결되는 스트링 별로 발전전류량과 아크전류를 센싱하는 채널별 센싱단계;
   상기 전류감지수단과 연결된 상기 처리부에서 상기 스트링 별 발전전류량과 아크전류의 비율값을 계산하고, 상기 비율값이 ±20% 이상 차이가 나는 스트링이 발생할 경우 아크가 발생한 것으로 판단하는 아크발생 판단단계;
   온도감지센서를 통해 태양광발전 접속함 내부의 배선용차단기(MCCB)와 연결된 (+)부스바와 (-)부스바의 온도를 센싱하는 부스바 센싱단계;
   광감지수단을 통해 퓨즈 연결부, 상기 부스바 및 상기 배선용차단기에서 발생되는 섬광을 센싱하는 광 센싱단계; 및
   태양광발전이 정지되는 야간에 수행되며, 상기 처리부에서 상기 각각의 센서들의 출력값을 파악하여 비정상 출력값을 갖는 센서에 대해 초기값을 자동 교정하는 센서 교정단계;를 포함하며,
   상기 채널별 센싱단계는,
   상기 스트링 별로 발전전류의 크기를 센싱하는 발전전류 센싱단계;
   상기 스트링 별로 제1저대역 통과필터를 통해 아크전류 'A'를 검출하는 제1아크전류 센싱단계; 및
   상기 스트링 별로 상기 제1저대역과는 다른 대역을 갖는 제2저대역 통과필터를 통해 아크전류 'B'를 검출하는 제2아크전류 센싱단계;를 포함하고,
   상기 아크발생 판단단계는,
   상기 스트링 별로 상기 아크전류 'A'의 절대값과 상기 발전전류의 비율 및 상기 아크전류 'B'의 절대값과 상기 발전전류의 비율을 구하여 크기를 비교하는 아크전류 비교단계; 및
   상기 처리부에서 상기 아크전류 비교단계를 통해 비율값 크기가 다른 스트링에 비해 상대적으로 특정값 이상 차이가 나는 스트링을 검출하는 아크전류 검출단계;를 포함하며,,
   상기 아크발생 판단단계에서는,
   상기 (+)부스바와 상기 (-)부스바의 온도차가 설정된 범위를 벗어나면 아크가 발생된 것으로 판단하고,
   상기 광감지수단을 통해 감지된 섬광의 출력 전압이 설정값 이상이면 아크가 발생된 것으로 판단하는 태양광발전 접속함의 아크 감지 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제

Images